2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——能源轉(zhuǎn)化材料的表征與性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種表征技術(shù)主要用于測定材料的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和物相組成？A.SEMB.TEMC.XRDD.XPS2.在掃描電子顯微鏡（SEM）成像中，二次電子信號主要來自于樣品表面？A.次級表面B.本征表面C.次級原子層D.核心原子層3.X射線光電子能譜（XPS）分析的主要依據(jù)是光電效應(yīng)，其中結(jié)合能的大小主要反映了？A.原子序數(shù)B.原子間的距離C.核外電子的能級結(jié)構(gòu)D.樣品的宏觀形貌4.拉曼光譜技術(shù)主要用于研究材料的？A.磁性B.熱穩(wěn)定性C.化學(xué)鍵和分子振動/轉(zhuǎn)動模式D.晶體缺陷5.透射電子顯微鏡（TEM）與掃描電子顯微鏡（SEM）相比，其主要優(yōu)勢在于？A.樣品制備要求更寬松B.分辨率更高，可觀察更精細(xì)結(jié)構(gòu)C.可進(jìn)行元素面掃描分析D.更易于觀察導(dǎo)電樣品6.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)主要用于識別材料的？A.晶粒尺寸B.表面元素化學(xué)態(tài)C.化學(xué)官能團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)D.磁性轉(zhuǎn)變溫度7.在電化學(xué)性能測試中，循環(huán)伏安法（CV）通常用于？A.精確測定電池的容量B.測定材料的電阻率C.研究電極/電解液之間的可逆氧化還原反應(yīng)D.測定材料的比表面積8.熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）都是研究材料熱性能的技術(shù)，它們的主要區(qū)別在于？A.TGA測量質(zhì)量變化，DSC測量熱量變化B.TGA測量升溫速率，DSC測量恒定溫度下的熱量變化C.TGA適用于所有材料，DSC不適用于金屬D.TGA結(jié)果更直觀，DSC結(jié)果更精確9.對于鋰離子電池，正極材料的比容量通常與其具有？A.更大的晶體體積B.更高的電導(dǎo)率C.更多的嵌鋰位點或更高的氧化態(tài)D.更小的比表面積10.在設(shè)計研究某種新型氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑的實驗方案時，以下哪個方面不是需要重點考慮的？A.催化劑的制備方法B.ORR測試的電化學(xué)池配置C.ORR測試的電解液選擇D.催化劑的成本和市場價格二、填空題（每空2分，共30分。請將答案填在橫線上）1.X射線衍射（XRD）技術(shù)基于晶體對X射線的________效應(yīng)來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。2.掃描電子顯微鏡（SEM）成像通常需要將樣品置于________環(huán)境中進(jìn)行，以防止電子與空氣中的分子碰撞。3.X射線光電子能譜（XPS）可以通過測量光電子的________來確定樣品表面元素的種類和化學(xué)態(tài)。4.拉曼光譜中，頻率向低波數(shù)移動的現(xiàn)象稱為________，通常與分子振動模式有關(guān)。5.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）利用紅外光與分子________之間的相互作用來探測官能團(tuán)。6.電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種通過測量交流阻抗隨________的變化來研究電極過程動力學(xué)的技術(shù)。7.在電化學(xué)測試中，通常使用________電極作為參比電極，其電位在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下保持恒定。8.材料的比表面積與其電化學(xué)活性密切相關(guān)，通常使用________或________方法進(jìn)行測量。9.對于儲能材料，循環(huán)壽命是其重要的性能指標(biāo)，通常通過恒流充放電測試進(jìn)行評估。10.在表征能源轉(zhuǎn)化材料時，選擇合適的表征技術(shù)需要考慮材料的________、________以及研究者想要獲取的信息。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.晶格常數(shù)2.結(jié)合能3.循環(huán)伏安法（CV）4.比表面積5.研究方案設(shè)計四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述X射線衍射（XRD）技術(shù)測定材料晶粒尺寸的基本原理。2.簡述掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）在樣品制備和成像原理上的主要區(qū)別。3.簡述循環(huán)伏安法（CV）中，陽極峰和陰極峰的出現(xiàn)分別代表什么電極過程？4.簡述選擇傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)表征材料時，需要考慮哪些因素？五、論述題（10分）論述材料微觀結(jié)構(gòu)（如晶體結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷）對其電化學(xué)性能（如容量、速率性能、循環(huán)壽命）可能產(chǎn)生的影響，并舉例說明。六、實驗設(shè)計題（25分）假設(shè)你正在研究一種新型的用于鋰離子電池正極的材料（假設(shè)其化學(xué)式為MX?O?，M為過渡金屬元素，X為其他元素）。請設(shè)計一個初步的表征方案，用于研究該材料的結(jié)構(gòu)和性能。該方案應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：1.你計劃使用哪些表征技術(shù)來研究該材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和元素價態(tài)？請簡要說明選擇這些技術(shù)的理由。2.你計劃使用哪些電化學(xué)測試技術(shù)來評估該材料作為鋰離子電池正極的性能？請簡要說明選擇這些技術(shù)的理由，并列出至少兩個關(guān)鍵性能指標(biāo)（例如比容量、倍率性能）。3.在進(jìn)行電化學(xué)測試之前，對該材料進(jìn)行預(yù)處理（如研磨、干燥）有何意義？請簡要說明。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：X射線衍射（XRD）利用晶體對X射線的衍射現(xiàn)象，通過分析衍射峰的位置、強(qiáng)度和寬度來獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)信息（如晶胞參數(shù)、物相組成）。SEM主要觀察樣品表面形貌，TEM主要觀察樣品精細(xì)結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，XPS用于分析表面元素組成和化學(xué)態(tài)。2.B解析思路：SEM主要通過收集樣品表面發(fā)射出的二次電子來成像，二次電子來源于樣品最表層（幾納米），對樣品表面的細(xì)微特征有很高的分辨率。A、C、D描述的不是二次電子的主要來源。3.C解析思路：XPS基于光電效應(yīng)，當(dāng)X射線光子照射樣品時，會激發(fā)核外電子脫離原子，被探測器接收到的光電子具有特定的動能。根據(jù)動能可以計算出光電子的動能峰位（結(jié)合能），結(jié)合能與原子所處的化學(xué)環(huán)境（即化學(xué)鍵合狀態(tài)）密切相關(guān)，因此可以用來確定表面元素的化學(xué)態(tài)。4.C解析思路：拉曼光譜是一種散射光譜技術(shù)，它探測的是分子振動和轉(zhuǎn)動能級之間的能量差。通過分析拉曼光譜的頻率（波數(shù)）和強(qiáng)度，可以獲得分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合等信息。A、B、D不是拉曼光譜的主要研究內(nèi)容。5.B解析思路：TEM使用電子束作為光源，其波長遠(yuǎn)短于可見光，因此具有比SEM更高的分辨率，可以觀察原子級或近原子級的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如晶格條紋、原子柱等。SEM的分辨率通常在納米級別。A、C、D是SEM或兩者都可能具備的特點，但不是相對于TEM的主要優(yōu)勢。6.C解析思路：FTIR通過測量分子對特定頻率紅外光的吸收情況來識別化學(xué)鍵和官能團(tuán)。不同的化學(xué)鍵和官能團(tuán)振動頻率不同，吸收峰的位置（波數(shù)）也不同，因此FTIR常用于有機(jī)和無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)鑒定及官能團(tuán)分析。A、B、D是其他表征技術(shù)或性質(zhì)。7.C解析思路：循環(huán)伏安法（CV）通過在電極/電解液界面施加周期性掃描的電勢，測量相應(yīng)的電流響應(yīng)。其曲線形狀（氧化還原峰的位置、形狀、面積等）可以反映電極過程中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的可逆性、反應(yīng)動力學(xué)和電極材料的電化學(xué)活性。A是恒流充放電測量的內(nèi)容，B是四探針法測電阻率，D是BET法測比表面積。8.A解析思路：熱重分析（TGA）直接測量樣品在程序控溫過程中的質(zhì)量變化，反映材料的熱分解、氧化、脫水等失重過程。差示掃描量熱法（DSC）測量的是樣品在程序控溫下，由于吸熱或放熱而引起的凈熱量變化，反映材料相變、氧化、分解等吸熱或放熱過程。兩者最根本的區(qū)別是測量物理量不同：質(zhì)量變化vs.熱量變化。9.C解析思路：鋰離子電池正極材料的容量來源于其能夠提供的可逆鋰離子嵌入/脫出位點數(shù)量或其能夠達(dá)到的高氧化態(tài)。通常，具有更多嵌入位點（如層狀結(jié)構(gòu)中的八面體位）或能提供更高鋰離子釋放電勢（即具有更高氧化態(tài)）的材料，其理論比容量更高。10.D解析思路：設(shè)計ORR催化劑研究方案時，需要關(guān)注催化劑本身的制備、測試條件（電化學(xué)池、電解液）以及性能評估方法。催化劑的成本和市場價格屬于材料應(yīng)用層面的經(jīng)濟(jì)性考量，與實驗方案的設(shè)計本身關(guān)系不大。二、填空題1.衍射解析思路：X射線衍射的原理是利用晶體周期性排列的原子對X射線產(chǎn)生規(guī)律的衍射現(xiàn)象。當(dāng)一束單色X射線照射到晶體上，晶格中的原子作為散射中心，向各個方向散射X射線，在滿足布拉格條件的方向上發(fā)生相長干涉，形成衍射圖樣。2.真解析思路：SEM成像需要高真空環(huán)境，因為二次電子等信號電子在空氣中易與空氣分子發(fā)生碰撞而損失或改變方向，從而影響成像質(zhì)量和分辨率。3.動能解析思路：XPS分析時，入射X射線光子將核外電子打出，產(chǎn)生的光電子在飛出原子表面過程中會損失能量（與電子離開原子所需的功有關(guān)），探測器測量的是這些具有特定動能（E=hν-E_b-W）到達(dá)探測器的光電子，其中E_b為結(jié)合能，W為功函數(shù)。通過分析不同動能的光電子流強(qiáng)度，可以得到XPS譜圖。4.斯托克斯位移解析思路：拉曼光譜中，斯托克斯線（Stokesline）是指散射光的頻率低于入射光頻率，即向低波數(shù)移動的現(xiàn)象。這通常對應(yīng)于分子從振動基態(tài)躍遷到較高的振動激發(fā)態(tài)。反斯托克斯線（Anti-Stokesline）則頻率高于入射光，對應(yīng)于分子從高振動激發(fā)態(tài)躍遷到低振動激發(fā)態(tài)。斯托克斯位移是拉曼光譜的特征之一。5.振動解析思路：傅里葉變換紅外光譜（FTIR）基于分子振動-轉(zhuǎn)動能級躍遷。當(dāng)紅外光照射分子時，如果紅外光的頻率與分子某一對振動-轉(zhuǎn)動能級之差匹配，分子就會吸收該頻率的紅外光，發(fā)生振動能級躍遷。6.頻率（或電勢）解析思路：電化學(xué)阻抗譜（EIS）通過施加一個小的正弦交流信號，測量電路的總阻抗（包括電阻和電容/電感成分）作為頻率（或有時是電勢）的函數(shù)。通過分析阻抗譜圖，可以等效電路擬合等方法獲得電極過程的動力學(xué)參數(shù)（如電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散電阻等）。7.標(biāo)準(zhǔn)氫解析思路：在電化學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)氫電極（StandardHydrogenElectrode,SHE）被定義為參比電極，其電位在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（25°C，1atmH?，1MH?）被規(guī)定為零伏特。其他電極的電位都是相對于SHE來測量的。8.BET解析思路：比表面積是材料單位質(zhì)量所具有的表面積，是衡量材料表面性質(zhì)的重要參數(shù)。常用的測量方法有BET（Brunauer-Emmett-Teller）法（基于物理吸附）和氣體吸附法（如N?吸附）。9.循環(huán)解析思路：循環(huán)壽命指電池在保持一定容量（如初始容量的80%）之前，能夠完成的完整充放電循環(huán)次數(shù)。它是評價儲能器件長期穩(wěn)定性和實用性的關(guān)鍵指標(biāo)，通常通過恒流充放電測試來評估。10.本征解析思路：表征材料時選擇技術(shù)需考慮：材料的本征性質(zhì)（如是固體、粉末還是薄膜，導(dǎo)電性如何等），因為不同性質(zhì)的材料適合的表征方法不同；研究目的，即想獲得什么信息（結(jié)構(gòu)、成分、性能、微觀形貌等）。三、名詞解釋1.晶格常數(shù)：指晶體點陣中平行于晶面族的三組相互垂直的晶面之間的距離（d_hkl），是描述晶體點陣周期性特征的三個基本參數(shù)（a,b,c）及其夾角（α,β,γ）。2.結(jié)合能：指原子中電子脫離原子（或離子）所需克服的功，通常用光電子能譜（XPS）中光電子的動能來推算。結(jié)合能的大小與原子核的吸引力以及核外電子所處的能級和化學(xué)環(huán)境有關(guān)。3.循環(huán)伏安法（CV）：一種電化學(xué)技術(shù)，通過在電極/電解液界面上施加周期性掃描的線性電壓（如三角波），同時測量相應(yīng)的電流響應(yīng)，從而研究電極過程動力學(xué)、可逆性、反應(yīng)機(jī)理以及電極材料的電化學(xué)活性。4.比表面積：指單位質(zhì)量（或單位體積）材料所具有的表面積，常用單位為平方米/克（m2/g）或平方米/厘米3（m2/cm3）。是影響材料吸附、催化、電化學(xué)等性能的關(guān)鍵因素。5.研究方案設(shè)計：指在科學(xué)研究活動中，根據(jù)研究目標(biāo)和問題，系統(tǒng)地規(guī)劃研究步驟、選擇合適的研究方法、設(shè)計實驗方案、確定所需儀器設(shè)備、制定數(shù)據(jù)采集和處理方法，并預(yù)見可能遇到的問題和解決方案的過程。四、簡答題1.簡述X射線衍射（XRD）技術(shù)測定材料晶粒尺寸的基本原理。解析思路：XRD測定晶粒尺寸通常使用謝樂（Scherrer）公式。當(dāng)X射線束穿過多晶材料時，來自不同晶粒的衍射峰會發(fā)生展寬。晶粒越細(xì)小，衍射峰展寬越明顯。通過測量衍射峰的半峰寬（或積分寬度），利用謝樂公式（ε=Kλ/(βcosθ)*tan(β/2)），其中ε為晶粒尺寸，K為形狀因子，λ為X射線波長，β為衍射峰半峰寬，θ為布拉格角），可以估算出材料的平均晶粒尺寸。核心在于細(xì)小晶粒導(dǎo)致衍射峰加寬。2.簡述掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）在樣品制備和成像原理上的主要區(qū)別。解析思路：成像原理：SEM使用電子束掃描樣品表面，收集二次電子或背散射電子成像，主要獲得樣品表面的形貌信息，分辨率較高（納米級），景深大。TEM使用電子束穿透樣品，收集透射電子成像，可以觀察到樣品內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)（如晶體缺陷、晶界、納米顆粒等），分辨率極高（可達(dá)原子級），景深小。樣品制備：SEM樣品制備相對簡單，通常需要噴金等導(dǎo)電處理以防止電荷積累，適用于導(dǎo)電樣品和經(jīng)適當(dāng)處理的非導(dǎo)電樣品。TEM樣品制備復(fù)雜且要求高，需要將樣品制成厚度極?。◣准{米到幾十納米）的薄片，過程包括切割、研磨、離子減薄等，對樣品的損傷較大。3.簡述循環(huán)伏安法（CV）中，陽極峰和陰極峰的出現(xiàn)分別代表什么電極過程？解析思路：在CV掃描過程中，當(dāng)電勢掃描到足夠正（陽極掃描方向），使得工作電極電位高于還原電位時，會發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致電子從電極流出，電流增大，在CV曲線上形成一個陽極峰。當(dāng)電勢掃描到足夠負(fù)（陰極掃描方向），使得工作電極電位低于氧化電位時，會發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致電子向電極流入，電流增大，在CV曲線上形成一個陰極峰。因此，陽極峰對應(yīng)的是電極/電解液界面的氧化過程，陰極峰對應(yīng)的是還原過程。4.簡述選擇傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)表征材料時，需要考慮哪些因素？解析思路：選擇FTIR技術(shù)時需考慮：①材料性質(zhì)，F(xiàn)TIR主要用于含有可極性化學(xué)鍵（如C=O,O-H,N-H,C-H等）的有機(jī)和無機(jī)分子，對于金屬、惰性氣體等缺乏特征吸收峰的材料效果有限。②研究目的，若需要鑒定材料中的官能團(tuán)、確定分子結(jié)構(gòu)、進(jìn)行定量分析或監(jiān)測反應(yīng)過程中的化學(xué)變化，F(xiàn)TIR是常用手段。③樣品狀態(tài)，F(xiàn)TIR適用于氣體、液體和固體樣品（粉末、薄膜等），但固體樣品通常需要經(jīng)過適當(dāng)處理（如KBr壓片、ATR衰減全反射）以增強(qiáng)透光性或便于樣品制備。④干擾因素，需要考慮樣品中是否存在強(qiáng)吸收峰或水汽、二氧化碳等背景吸收對測量帶來的干擾，可能需要預(yù)處理或使用背景扣除技術(shù)。五、論述題論述材料微觀結(jié)構(gòu)（如晶體結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷）對其電化學(xué)性能（如容量、速率性能、循環(huán)壽命）可能產(chǎn)生的影響，并舉例說明。解析思路：材料的微觀結(jié)構(gòu)對其電化學(xué)性能有決定性影響。1.晶體結(jié)構(gòu)：決定了材料的理論容量、活性位點位置和數(shù)量、離子擴(kuò)散通道等。例如，鋰鐵磷酸鐵鋰（LFP）具有橄欖石結(jié)構(gòu)，其層狀結(jié)構(gòu)中的Fe2?/Fe3?氧化還原和P-O鍵的斷裂/形成是容量來源，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定使其循環(huán)壽命長。若晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在充放電過程中可能發(fā)生相變或粉化，導(dǎo)致容量衰減和循環(huán)壽命縮短。2.形貌：影響電解液浸潤、離子/電子傳輸路徑長度和接觸面積。例如，納米顆?；蚣{米線/管狀材料具有更大的比表面積和更短的傳輸路徑，通常具有更高的倍率性能（即在高電流密度下仍能保持較好的容量）。相比之下，微米級顆粒的倍率性能較差。對于電池電極，合適的形貌有利于提高電接觸和反應(yīng)動力學(xué)。3.缺陷：晶格缺陷（點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷）可以提供額外的活性位點，改變能帶結(jié)構(gòu)，影響離子擴(kuò)散速率。例如，在氧化物催化劑中，適量的氧空位可以作為活性位點參與反應(yīng)，并可能提高電子導(dǎo)電性。但過多的缺陷也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或引入不必要的副反應(yīng)路徑。綜上，通過調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)（如通過合成方法控制晶體結(jié)構(gòu)、形貌和缺陷），可以優(yōu)化其電化學(xué)性能，滿足不同的應(yīng)用需求。例如，通過調(diào)控石墨烯的層數(shù)和堆疊方式可以改變其導(dǎo)電性和儲鋰性能；通過在催化劑表面引入特定缺陷可以提高其催化活性。六、實驗設(shè)計題假設(shè)你正在研究一種新型的用于鋰離子電池正極的材料（假設(shè)其化學(xué)式為MX?O?，M為過渡金屬元素，X為其他元素）。請設(shè)計一個初步的表征方案，用于研究該材料的結(jié)構(gòu)和性能。該方案應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：1.你計劃使用哪些表征技術(shù)來研究該材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和元素價態(tài)？請簡要說明選擇這些技術(shù)的理由。解析思路：研究MX?O?的結(jié)構(gòu)和組成，需要綜合運(yùn)用多種表征技術(shù)。*晶體結(jié)構(gòu)：X射線衍射（XRD）是研究晶體結(jié)構(gòu)最核心的技術(shù)。通過XRD可以獲得材料的晶系、晶胞參數(shù)、物相組成和可能的晶粒尺寸信息。理由：XRD能直接揭示材料的原子排列規(guī)律，對于確定材料的相態(tài)和結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要。*化學(xué)組成：X射線光電子能譜（XPS）和掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜（EDS）是確定材料表面元素組成和化學(xué)態(tài)的主要手段。XPS可以精確測定MX?O?表面各元素的種類以及M和X元素的化學(xué)價態(tài)（例如，通過結(jié)合能的變化判斷M是+2價還是+3價等）。EDS（通常與SEM聯(lián)用）可以進(jìn)行元素面掃描，了解元素在樣品微區(qū)內(nèi)的分布均勻性。理由：XPS和EDS能提供元素定性和半定量分析，特別是XPS能深入到原子層面分析化學(xué)態(tài)，對于理解材料的電化學(xué)活性位點至關(guān)重要。*理由總結(jié)：XRD關(guān)注整體宏觀結(jié)構(gòu)，XPS關(guān)注表面元素種類和化學(xué)態(tài)，EDS關(guān)注元素分布。這三者結(jié)合可以全面了解材料的結(jié)構(gòu)-組成-化學(xué)態(tài)信息，為后續(xù)性能研究奠定基礎(chǔ)。2.你計劃使用哪些電化學(xué)測試技術(shù)來評估該材料作為鋰離子電池正極的性能？請簡要說明選擇這些技術(shù)的理由，并列出至少兩個關(guān)鍵性能指標(biāo)（例如比容量、倍率性能）。解析思路：評估正極材料性能需要系統(tǒng)性的電化學(xué)測試。*電化學(xué)測試技術(shù)：*恒流充放電（GCD）測試：在恒定電流下進(jìn)行充放電循環(huán)，測量充放電容量、放電比容量（通常作為關(guān)鍵性能指標(biāo)）、充電/放電平臺電壓、循環(huán)過程中的容量衰減等。這是評價電池實際工作性能和循環(huán)壽命最常用的方法。理由：模擬電池的實際使用過程，直接反映材料的可逆容量和倍率性能。*循環(huán)伏安法（CV）測試：在一定電位范圍內(nèi)施加三角波電壓掃描，測量電流響應(yīng)。通過CV曲線可以判斷電極反應(yīng)的可逆性、反應(yīng)類型（氧化或還原）、電極過程動力學(xué)、估算半波電位等。理由：CV能提供關(guān)于電極反應(yīng)機(jī)理和電化學(xué)活性的信息，是初步篩選和深入研究電極材料的有效工具。*電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試：在交流小信號激勵下，測量電極系統(tǒng)的阻抗隨頻率的變化。通過阻抗譜擬合可以得到電荷轉(zhuǎn)移電阻、S